數字CMOS攝像頭在智能車(chē)中的應用

引言

　　飛思卡爾智能車(chē)比賽已經(jīng)成功舉辦4屆，以攝像頭為主要傳感器的參賽隊伍大多數選用了模擬CCD或模擬CMOS攝像頭。本文介紹了數字式CMOS 攝像頭MT9M011的性能特點(diǎn)和工作方式，給出了MT9M011在基于HCSl2單片機的智能車(chē)控制系統中的應用方案，并分析了數字攝像頭的優(yōu)勢和不足。

　　1 CMOS圖像傳感器的特點(diǎn)

　　CMOS圖像傳感器可通過(guò)CMOS技術(shù)將像素陣列與外圍支持電路(如圖像傳感器核心、單一時(shí)鐘、所有的時(shí)序邏輯、可編程功能和A／D轉換器)集成在同一塊芯片上。與CCD(電容耦合器件)圖像傳感器相比，CMOS圖像傳感器將整個(gè)圖像系統集成在一塊芯片上，具有體積小、重量輕、功耗低、編程方便、易于控制等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，可通過(guò)I2C、SPI等接口配置其曝光時(shí)間、增益控制等功能，可控性強。因此，CMOS圖像傳感器的應用已經(jīng)變得越來(lái)越廣泛。

　　2 MT9M011的性能特點(diǎn)與工作方式

　　2．1 MT9M011的基本參數

　　MT9M011是一款：Mieron公司推出的RGB三基色的130萬(wàn)像素數字式CMOS攝像頭，具有可編程控制及數字信號輸出等功能。其輸出為Bayer彩色格式，圖像尺寸為4．6 mm×3．7 mm，像素尺寸為3．6 μm×3．6 μm，最大分辨率為1 280×1 024，支持的最高時(shí)鐘頻率為25MHz；A／D轉換精度為10位，最大信噪比為44 dB，在最高分辨率模式下功耗為129 mW。

　　MT9M011輸出為逐行掃描的數字信號，通過(guò)內嵌的10位ADC將模擬視頻信號采樣量化后同步輸出10位數據流。同時(shí)，MT9M011還提供像素時(shí)鐘(PIXCLK)、行有效信號(LVAL)、幀有效信號(FVAL)，以及配置MT9M011所需的I2C協(xié)議引腳SCLK和SDAT。

　　2．2 MT9M011的編程功能

　　MT9M011有25個(gè)寄存器，涉及攝像頭的各個(gè)方面，通過(guò)與I2C兼容的串行總線(xiàn)時(shí)序讀寫(xiě)。結合智能車(chē)競賽應用重點(diǎn)介紹以下寄存器：

　?、傩衅鹗技拇嫫?Ox01)和列起始寄存器(Ox02)。這兩個(gè)寄存器決定輸出圖像的起始點(diǎn)坐標。利用這兩個(gè)寄存器可以軟件調節攝像頭采集到的圖像整體位置。

　?、谛袑挾燃拇嫫?0x03)和列寬度寄存器(Ox04)。MT9M011的一大特色就是輸出數據的圖像大小可以任意調整。通過(guò)這兩個(gè)寄存器可以針對當前的應用環(huán)境(即賽道)設置合適的圖像范圍。

　?、燮毓鈺r(shí)間寄存器(Ox09)。該寄存器的值決定了攝像頭采集一幀圖像時(shí)感光元器件的感光時(shí)間。通過(guò)調整該寄存器值的大小可以直接調整圖像的成像質(zhì)量。

　?、軘祿x取模式寄存器(Ox20)。該寄存器可以使輸出的行數據和列數據減少至1／2或者1／4，也可以使輸出的圖像鏡面對稱(chēng)。

　?、菰鲆嬖O置寄存器。它又包含Greenl分量增益設置寄存器(Ox2B)、Blue分量增益設置寄存器(Ox2C)、Red分量增益設置寄存器 (Ox2D)、Green2分量增益設置寄存器(Ox2E)和全局增益設置寄存器(Ox2F)5個(gè)寄存器。由于RGB分量對同一光源表現出不同的數值，因此需要針對不同的光源情況分別調整前4個(gè)寄存器的值，而這也是這款攝像頭最大的缺點(diǎn)。

　　2．3 MT9M011的數字圖像輸出

　　2．3．1 Bayer彩色格式輸出

　　MT9M011的輸出為Bayer彩色格式(Bayer color pattern)。這種輸出格式直接將濾波陣列上每一個(gè)像素點(diǎn)對應的保留基色模擬電平值，通過(guò)A／D轉換后按時(shí)序先后輸出。圖1展示了這種輸出格式對應的局部像素點(diǎn)陣。其中，黑色像素點(diǎn)為輸出有效數據的第一個(gè)點(diǎn)。

　　2．3．2 MT9M011的輸出信號時(shí)序

　　像素數據輸出時(shí)序和幀與行有效信號時(shí)序分別如圖2和圖3所示。像素時(shí)鐘與主時(shí)鐘同頻，在一幀圖像開(kāi)始輸出時(shí)幀有效信號由低電平變?yōu)楦唠娖?，一幀輸出結束時(shí)由高電平變?yōu)榈碗娖?；而行有效信號則在一行數據輸出有效時(shí)由低電平變?yōu)楦唠娖?，一行數據輸出完成后由高電平變?yōu)榈碗娖?。根據MT9M0ll的輸出信號時(shí)序就能正確地采集整幀圖像。圖3中，P為幀消隱區，A為有效數據區，Q為行消隱區。

　　3 MT9M011在智能車(chē)控制系統中的應用

　　3．1 硬件設計

　　MT9M011的電平是3．3 V，而HCSl2單片機系統的I／O電平是5 V，因此需要通過(guò)電平轉換芯片將攝像頭輸出數據的電平提升到5V。結合MT9M011的輸出信號時(shí)序關(guān)系和HCSl2單片機的特點(diǎn)，本文利用HCSl2的 ECT模塊提取MT9M011的幀有效信號的上升沿，采用ECT模塊對應引腳的普通I／O口功能采集行有效信號的上升沿。MT9M011的數據輸出信號有 10位，鑒于賽道環(huán)境相對簡(jiǎn)單，只截取高8位作為攝像頭信號輸出，既可以保證圖像分辨率，又可節省HCSl2的存儲空間。HCSl2單片機本身帶有一個(gè)標準的I2C模塊，直接使用這個(gè)模塊與MT9M011的SCLK和SDAT相接。

3．2 軟件設計

　　3．2．1 HCSl2單片機I2C模塊配置

　　HCSl2單片機提供標準的I2C模塊，SCLK引腳能產(chǎn)生多種時(shí)鐘頻率，支持主從模式，設有多種標志位以供查詢(xún)。初始化I2C模塊時(shí)需要完成以下工作：

　?、僭O置IBFD寄存器，使產(chǎn)生的SCLK信號能夠對MT9M011進(jìn)行正常的配置；

　?、谠O置IBEN寄存器位，使能I2C模塊；

　?、墼O置IBCR，確定I2C模塊的主、從模式，收、發(fā)模式以及是否使能中斷功能等。

　　3．2．2 MT9M011圖像數據采集

　　受限于單片機時(shí)鐘的約束關(guān)系，HCSl2的通用I／O口無(wú)法檢測攝像頭像素時(shí)鐘信號跳變，本文采取以固定周期采集一行數據的方法。因此，采集像素數據的關(guān)鍵是準確地采集幀有效信號的上升沿和行有效信號的上升沿。選用的方案是：使用HCSl2單片機的ECT模塊采集幀有效信號的上升沿，使用ECT 模塊普通端口模式采集行有效信號的上升沿。

　　采集對象要求縱、橫分辨率都不能過(guò)低，而HCSl2內部存儲空間有限，無(wú)法為高分辨率提供有利支持。針對這一矛盾，利用一個(gè)像素

　　與其周?chē)c(diǎn)的值的關(guān)聯(lián)性，以及攝像頭所具有的隔行和隔列輸出功能進(jìn)行跳采集。確定了1 280x 480的分辨率和行列均跳4行采集的模式，

　　同時(shí)軟件上再進(jìn)行一次隔行采集，最終可得80×60=4 800個(gè)像素數據。采集數據的流程如圖4所示。

　　3．2．3 采集圖像時(shí)遇到的問(wèn)題及解決方法

　　(1)攝像頭晶振的選擇

　　MT9M011晶振的選擇是一個(gè)很重要的問(wèn)題，如果一幀圖像的時(shí)間超過(guò)20 ms，就無(wú)法體現它的主要優(yōu)勢。同時(shí)，也要考慮到HCSl2單片機的限制，HCSl2的總線(xiàn)頻率最大可達到32 MHz，而在此條件下如果MT9M011的晶振選取過(guò)大，則每一行采集到的點(diǎn)數過(guò)少。

　　通過(guò)式(1)可計算出MT9M011輸出一幀圖像所需的時(shí)間：

　　式中：ColNum+HBlanking和RowNum+VBlanking分別表示包含空白數據的總列數和總行數；fcamera表示攝像頭晶振頻率，在一幀圖像大小已經(jīng)確定的情況下，該值越大則一幀時(shí)間越短。

　　通過(guò)式(2)可計算出單片機一行采集像素點(diǎn)的個(gè)數：

　　式中：RowPixNum表示一行能采集到的數據；ColNum表示每一行中輸出的像素數據個(gè)數；Tcamera是攝像頭晶振，fcamera 的倒數；Cycle表示一個(gè)采集周期使用的機器周期數，在整個(gè)采集過(guò)程中固定不變的；fbus表示單片機的總線(xiàn)周期。從式(2)可知，在fbus一定的情況下，camera越小，則一行采集到的數據就越少，這樣不利于數據分析。

　　綜合考慮，最終確定使用8 MHz的晶振作為MT9M011的時(shí)鐘，而采用16 MHz晶振作為HCSl2的時(shí)鐘，單行采集80個(gè)點(diǎn)，可滿(mǎn)足路徑識別的需要。

　　(2)攝像頭曝光時(shí)間和增益的設置問(wèn)題MT9M011是一款RGB三基色的彩色攝像頭，采集到的數據為Bayer彩色格式。由于提取的是賽道上的黑線(xiàn)信息，圖像環(huán)境相對簡(jiǎn)單，因此這里直接將每一個(gè)分量的值作為該點(diǎn)像素的灰度值處理。

　　如圖5(a)所示，在使用默認曝光時(shí)間和增益時(shí)采集得到的圖像有明顯的隔行噪聲效應，而且在一行間也有明顯的干擾噪聲存在。這是因為同一光源對于RGB三種分量所體現出的數值不同，直接將其當作灰度值處理會(huì )產(chǎn)生恢復的圖像不均勻、噪聲大的現象。解決辦法是通過(guò)多次

　　實(shí)踐調整攝像頭的曝光時(shí)間和RGB每個(gè)分量的增益值，使3個(gè)分量在同一光源下反應出的數值基本一致。經(jīng)過(guò)調整后得到的圖像如圖5(b)所示。

　　4 數字式CMOS攝像頭與模擬攝像頭比較

　　數字式CMOS攝像頭MT9M011最大的優(yōu)勢在于節約時(shí)間。選用合適的晶振及圖像大小能將整個(gè)小車(chē)控制周期限制在20ms左右。筆者曾經(jīng)做過(guò)實(shí)驗，選用20MHz的晶振作為攝像頭時(shí)鐘，將單片機倍頻到32 MHz。在這種條件下，一個(gè)控制周期的反應時(shí)間甚至能縮短到4ms左右，與模擬攝像頭的40 ms一幀圖像相比有明顯的優(yōu)勢。MT9M011的另一個(gè)優(yōu)勢是圖像大小可以任意設置，因此筆者可以軟件調整圖像的大小和視野的高度，且MT9M011與單片機接口簡(jiǎn)單，很大程度上減輕了硬件負擔。

　　MT9M011在智能車(chē)比賽應用中也具有一些缺點(diǎn)。它不能自動(dòng)適應各種光源，需要人工進(jìn)行調整；同時(shí)，它的動(dòng)態(tài)特性不如CCD攝像頭好，這點(diǎn)可以通過(guò)提高攝像頭晶振時(shí)鐘來(lái)縮短采集周期解決。

　　結語(yǔ)

　　本文介紹了數字式CMOS攝像頭MT9MOll在基于HCSl2單片機的智能車(chē)中的應用，并針對數字攝像頭與模擬攝像頭的各自特點(diǎn)進(jìn)行了比較。實(shí)踐表明，選用數字式CMOS攝像頭作為智能車(chē)路徑識別傳感器是可行的。